CN109755003A - 集成垂直电感器 - Google Patents

Abstract

一种集成垂直电感器包括：绕线架，具有细长中空管、上凸缘，设置在细长中空管上端，及基部结构，与细长中空管的下端一体形成。细长中空管包括沿其纵向延伸的中心开口。基部结构包括与中心开口连通的侧向开口。第一磁芯件安装在细长中空管的中心开口中。第二磁芯件与第一磁芯件并置。多个电极设置在基部结构的底表面上。

Description

集成垂直电感器

技术领域

本发明涉及一种电子组件。更具体地，本发明涉及一种具有共模电感(common-mode inductance)和差模电感(differential-mode inductance)的集成垂直电感器。

背景技术

如本领域中已知的，电磁干扰(EMI)滤波器通常由共模电感元件和差模电感元件组成。通常，具有集成的单独差模电感或共模电感的电感器的磁芯的设计通常是环形磁芯、ET型、UT型、UU型或EE/EI型磁芯。

环形磁芯产生闭合磁路，很难产生高漏电感(高差模电感值)，通常约为几十μH左右。因为磁芯直径太小，环形磁芯无法通过小体积的自动绕线加工。由于ET型和UT型的磁芯的形状，必须将绕线架分成两部分。可以通过将齿轮设置在绕线架中然后利用绕线架的基座以人工方式进行线路管理来进行缠绕。这两种结构不易小型化、不能完全自动化操作，并且不易具有高漏感值。

UU型磁芯适用于水平设计。当它变为垂直时，底部磁芯和四个引脚之间的间隔太短，这导致高电压测试(Hi-pot)失败(耐压降低)。受UU型垂直磁芯组结构的限制，这种结构只能增加四个引脚的间距(安全距离)来解决高电压测试(Hi-pot)时引脚之间产生跳火的问题，但这会导致体积较大的问题。两个EE/EI型绕组必须缠绕在两个侧柱上。尽管EE/EI型具有高度自动化，但它牺牲了整体空间。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种改进的集成垂直电感器，它具有共模电感和差模电感，以解决上述现有技术的缺点。

根据本发明的一个方面，公开了一种集成垂直电感器。集成垂直电感器包含一绕线架，该绕线架包含一细长中空管、一上凸缘，设置在该细长中空管的一上端以及一基部结构，一体设置在该细长中空管的一下端。该细长中空管包含在该上凸缘和该基部结构之间的一第一绕线架部分和一第二绕线架部分。该第二绕线架部件从该第一绕线架部分同轴地延伸。该细长中空管包含沿其纵向延伸的一中心开口。该基部结构包含一侧向开口，与该中心开口连通。一第一线圈单元，包含第一绕线的绕组，缠绕在该第一绕线架部分上。一第二线圈单元，包含第二绕线的绕组，缠绕在该第二绕线架部分上。一中间凸缘，设置在该第一绕线架部分和该第二绕线架部分之间的该细长中空管上。该第一线圈单元通过该中间凸缘与该第二线圈单元分离。一第一磁芯件，插入该细长中空管的该中心开口中。一第二磁芯件，与该第一磁芯件并置。该中间凸缘包含一中间凹陷结构，用于榫接该第二磁芯件的一连接杆。该中间凸缘包含两个第一臂部。各该两个第一臂部包含一第一绕线引导槽，用于引导从该第一线圈单元延伸的该第一绕线。多个电极，设置在该基部结构的一底表面上。

在阅读了以下详细描述中的各个附图示出的优选实施例之后，本发明的这些和其他目的无疑将对本领域普通技术人员变得显而易见。

附图说明

说明书附图是提供用以方便对本发明更进一步的了解，其构成本说明书的一部分。说明书附图与说明书内容一同阐述的本发明实施例，有助于解释本发明的原理原则。在附图中：

图1是根据本发明一实施例所示出的具有共模电感和差模电感的集成垂直电感器的示意性横截面图；

图2是图1的集成垂直电感器的分解侧视图；

图3和图4是图1的集成垂直电感器的侧视图；

图5和图6是根据本发明的不同实施例所示出的集成垂直电感器的示意性侧视图；以及

图7是图1的集成垂直电感器的示意性横截面图，示出了第一绕线和第二绕线的匝数。

附图标记说明：

1 集成垂直电感器

10 绕线架

110 细长中空管

110a 中心开口

111 第一绕线架部分

111a 第一绕组段

111b 第二绕组段

112 第二绕线架部分

112a 第三绕组段

112b 第四绕组段

120 上凸缘

120r 上端凹陷结构

130 基部结构

130a 侧向开口

130r 下端凹陷结构

130p 第二臂部

130g 第二绕线引导槽

130b 底表面

130e 边缘

130g’ 第三绕线引导槽

140 中间凸缘

140r 中间凹陷结构

140p 第一臂部

140g 第一绕线引导槽

150 第一间隔凸缘

160 第二间隔凸缘

20 第一线圈单元

201 第一绕线

201a 第一端

30 第二线圈单元

301 第二绕线

301a 第二端

40 第一磁芯件

401 向上突出部分

402 下部

50 第二磁芯件

501 上端脚

502 连接杆

503 下端脚

504 中间脚

70 电极

701 第一对端子引脚

702 第二对端子引脚

T 管轴线

h 高度

t 厚度

C 区域

具体实施方式

在以下描述中，给出了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。此外，一些众所周知的系统配置和处理步骤并未被详细公开，因为这些应该是本领域技术人员公知的。

同样地，该电子组件的实施例的附图是半图解的而不是按比例示出的，并且为了清楚地呈现，在附图中夸大了一些尺寸。而且，在公开和描述多个实施例具有共同的一些特征的情况下，为了便于说明和描述，通常将用相同的附图标记来描述相同或相似的特征。

这里使用的术语“水平”被定义为与半导体芯片或晶粒基底的传统主平面或表面平行的平面，而不管其取向如何。术语“垂直”指的是垂直于已定义的水平的方向。术语，例如“在......上”、“在......上方”、“在......下面”、“底部”、“顶部”、“侧”、“较高”“较低”、“高于”和“低于”，均相对于水平面而定义。

应当理解，当元件或层被称为“在......上”，“连接到”或“耦合到”另一个元件或层时，它可以直接在另一个元件或层上，连接或耦合另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在......上”，“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或层时，不存在中间元件或层。相同的数字始终指代相同的元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

本发明涉及一种集成垂直电感器，其将共模电感元件和差模电感元件集成到具有集成差模和共模电感的单一元件中。本发明的电感器利用在两个绕组之间产生的漏电感来代替过去的差模电感元件。电感器不仅保留了过去的共模电感的高阻抗特性，而且还集成了差模电感，省去了差模电感元件，从而节省了EMI滤波器的成本和元件占用的面积。

参照图1和图2。图1是根据本发明一实施例所示出的具有共模电感和差模电感的集成垂直电感器的示意性横截面图。图2是图1的集成垂直电感器的分解侧视图。如图1和图2所示，集成垂直电感器1包括一绕线架10，绕线架10大致是由一细长中空管110、设置在细长中空管110的上端的一上凸缘120和一体设置在细长中空管110下端的一基部结构130所组成。

根据本发明一实施例，绕线架10优选地由塑料材料一体制成，该塑料材料具有所需的电特性，其可以容易地模制、电性绝缘。根据本发明一实施例，绕线架10优选地是单件式绕线筒管。根据本发明一实施例，绕线架10优选地由一体塑料材料制成。

根据本发明一实施例，细长中空管110可以是矩形立方体形状，具有一纵向长度。根据本发明一实施例，细长中空管110可包括第一绕线架部分111和设置在上凸缘120和基部结构130之间的第二绕线架部分112。根据本发明一实施例，第二绕线架部分112从第一绕线架部分111同轴地延伸。中间凸缘140设置在第一绕线架部分111和第二绕线架部分112之间的细长中空管110上。

根据本发明一实施例，细长中空管110包括沿其纵向延伸的垂直中心开口110a(下文中称为“中心开口”)。基部结构130包括水平或侧向开口130a(下文中称为“侧向开口”)。侧向开口130a与中心开口110a连通，从而在绕线架10内形成L形开口。

根据本发明一实施例，细长中空管110、上凸缘120、基部结构130、中间凸缘140都是绕线架10的一体部分，它们一起构成单件式绕线架。根据本发明一实施例，细长中空管110具有管轴线T，管轴线T垂直于集成垂直电感器1的安装面。例如，管轴线T可以垂直于一印刷电路板(PCB)的主表面，并且所述安装面可以与PCB的主表面平行。

如图1和图2所示，根据本发明一实施例，第一线圈单元20，包括第一绕线201的绕组，缠绕在第一绕线架部分111上，且第二线圈单元30，包括第二绕线301的绕组，缠绕在第二绕线架部分112上。根据本发明一实施例，例如，第一绕线201和第二绕线301可以是覆盖有绝缘树脂的铜线。根据本发明一实施例，第一线圈单元20通过中间凸缘140与第二线圈单元30分离。第一绕线201的绕组和第二绕线301的绕组分开缠绕，并沿绕线架10的垂直方向上的同一绕线轴线(axis)缠绕，使得易于实现自动绕线。

根据本发明一实施例，第一磁芯件40插入细长中空管110的中心开口110a中。例如，第一磁芯件40可以是I型磁芯。第二磁芯件50与第一磁芯件40并置。例如，第二磁芯件50可以是U型磁芯或E型磁芯。然而，应该理解，由第一磁芯件40和第二磁芯件50组成的两部磁芯可以选自I-U型磁芯、I-E型磁芯、L-L型磁芯和L-F型磁芯。例如，第一磁芯件40是I型磁芯，第二磁芯件50是U型磁芯。例如，第一磁芯件40是I型磁芯，第二磁芯件50是E型磁芯。

根据本发明一实施例，细长中空管110的上端可包括接合到第二磁芯件50的一接合平面(侧表面或顶表面)，并且其水平横截面为多边形形状，优选地，矩形形状，以便实现更高的体积利用率。

根据本发明一实施例，上凸缘120包括上端凹陷结构120r，用于榫接或固定第二磁芯件50的上端脚501。根据本发明一实施例，第二磁芯件50的上端脚501接合到第一磁芯件40的向上突出部分401，其从围绕中心开口110a的上凸缘120的顶表面突出。根据本发明一实施例，上凸缘120可以具有直接接合到第二磁芯件50的表面。根据本发明一实施例，第二磁芯件50可以通过使用粘合剂(未明示)粘附到上凸缘120。

根据本发明一实施例，中间凸缘140可以包括中间凹陷结构140r，用于榫接或固定第二磁芯件50的连接杆502。根据本发明一实施例，中间凸缘140包括两个第一臂部140p，设置在与第二对电极(端子引脚702)相对的一侧，例如，在中间凹陷结构140r附近。根据本发明一实施例，两个第一臂部140p中的每一个包括第一绕线引导槽140g，用于引导从第一线圈单元20延伸的第一绕线201的绕组的第一端201a。第一端201a与第二绕线架部分112之间的距离大致等于第一臂部140p的长度。根据本发明一实施例，第二磁芯件50的上端脚501可以通过粘合层(未明示)接合到第一磁芯件40的向上突出部分401。

根据本发明一实施例，基部结构130可以包括下端凹陷结构130r，用于榫接或固定第二磁芯件50的下端脚503。根据本发明一实施例，整个下端脚503可以是设置在侧向开口130a中。根据本发明一实施例，如在图1中所示，第二磁芯件50的整个底表面被基部结构130覆盖并且不被显露出来。

根据本发明一实施例，在侧向开口130a中，下端脚503可以通过粘合剂层接合到第一磁芯件40的下部402。根据本发明一实施例，基部结构130可包括在下端凹陷结构130r附近的两个第二臂部130p。根据本发明一实施例，两个第二臂部130p中的每一个可包括第二绕线引导槽130g，用于引导从第一线圈单元20延伸到基座结构130的底表面的第一绕线201的绕组的第一端201a。根据本发明一实施例，组装后集成垂直电感器1的高度大于基部结构130的底表面130b的两侧边的长度。

参照图3和图4。图3和图4是图1的集成垂直电感器的侧视图。如图3和图4所示，诸如引脚或垫的多个电极70安装在基部结构130的底表面130b上。例如，多个电极70包括第一对端子引脚701和第二对端子引脚702突出于基部结构130的底表面130b。第一对端子引脚701和第二对端子引脚702分别设置在基部结构130的相对侧上。第一对端子引脚701设置在靠近两个第二臂部130p的位置。第二对端子引脚702设置在与两个第二臂部130p相对的基部结构130的边缘130e附近。

根据本发明一实施例，从第一线圈单元20连续延伸的绕线201可以通过第二绕线引导槽130g被引导到基座结构130的底表面130b，并且可以通过焊接电性连接到第一对端子引脚701。如图4所示，第一臂部140p和第二臂部130p的高度h可以近似等于第二磁芯件50的连接杆501的厚度t。第一臂部140p、第二臂部130p、第一绕线引导槽140g和第二绕线引导槽130g有效地避免了绕线201之间以及绕线201与第二磁芯件50之间的潜在干扰或短路。

根据本发明一实施例，基部结构130还包括第三绕线引导槽130g’，用于引导从第二线圈单元30延伸到基部结构130的底表面130b的绕线301的第二端301a。从第二线圈单元30延伸的绕线301的第二端301a可以通过第三绕线引导槽130g’被引导到基座结构130的底表面130b，并且可以分别电性连接到第二对端子引脚702。

根据本发明一实施例，集成垂直电感器1还可包括围绕第一绕线架部分111设置的第一间隔凸缘150，用于将第一绕线架部分111分成第一绕组段111a和第二绕组段111b。第一绕组段111a较靠近上凸缘120并且离中间凸缘140较远，而第二绕组段111b较靠近中间凸缘140并且离上凸缘120较远。

根据本发明一实施例，集成垂直电感器1还可包括围绕第二绕线架部分112设置的第二间隔凸缘160，用于将第二绕线架部分112分成第三绕组段112a和第四绕组段112b。第三绕组段112a较靠近中间凸缘140并且离基部结构130较远，而第四绕组段112b较靠近基部结构130并且离中间凸缘140较远。

参照图5和图6。图5和图6是根据本发明的不同实施例所示出的的集成垂直电感器的示意性侧视图。如图5所示，第二磁芯件50是U型磁芯，并且在由虚线表示的区域C中存在一间隙。如图6所示，第二磁芯件50是E型磁芯，其中间脚504(或中间凸起结构)延伸到由虚线表示的区域C中的空间中。

根据本发明一实施例，如图7所示，第一绕组段111a中的第一绕线201的匝数可以大于第二绕组段111b中的第一绕线201的匝数。根据本发明一实施例，第四绕组段112b中的第二绕线301的匝数可以大于第三绕组段112a中的第二绕线301的匝数。根据另一实施例，第一绕组段111a中的第一绕线201的匝数不同于第二绕组段111b中的第一绕线201的匝数。根据又一实施例，第三绕组段112a中的第二绕线301的匝数不同于第四绕组段112b中的第二绕线301的匝数。

本发明包括至少以下优点，特征和/或益处：

1.印刷电路板(PCB)上所占用面积很小。

传统上，两个共模绕组是分别设置在E型磁芯或U型磁芯的中心柱或侧柱上。在本公开中，绕组是缠绕在单个垂直绕线架上，并且使单个垂直绕线架套在I型磁芯上。因为I型磁芯是一体形成的结构，所以两个共模绕组彼此相邻地布置并且集中在单个垂直绕线架中。也就是说，在绕线架中的I型磁芯的竖立方向上没有间隙。

I型磁芯从顶部朝向底部直接安装到绕线架中，并且I型磁芯的底部与绕线架下方的焊接面的底板接触。E型磁芯或U型磁芯横向接合到I型磁芯。由接合结构产生的两个间隙可以更小，从而提供更高的共模电感或差模电感，其中主要增强共模电感并且间接增加差模电感。

此外，绕线架的基部结构具有水平或侧向开口，从而可以插入E型磁芯或U型磁芯下部的水平延伸结构，并且水平开口覆盖E型磁芯或U型磁芯的下部的水平延伸结构的底面。一些实施例中，两个共模绕组仅设置在垂直I型磁芯周围，因此可以提高磁芯的利用率。

在高匝数的高感抗特性中，例如，共模电感值大于5mH且差模电感值大于500μH，也可实现缩减集成垂直电感器1的底部的长度*宽度，例如，8.8mm*8.8mm(共模电感值＝20mH，差模电感值＝500μH)，收缩率为60％，有效地减少了PCB上占用的占用面积。集成垂直电感器1的高度，例如19mm，大于底表面的边长(例如，8.8mm)。

由于E型磁芯下部的水平结构的宽度或U型磁芯的宽度明显减小，为了增强Hi-pot(两组绕组或引脚之间，或磁芯对绕组的绝缘电压)，E型磁芯或U型磁芯下部的水平结构缩回到绕线架的侧向开口。也就是说，绕线架覆盖E/U型磁芯和I型磁芯下部的水平结构。

本公开提供一种垂直IE型和IU型架构，不同于市场上现有的设计，其特征在于分别在子槽绕线架的两侧缠绕两个绕组，并将I型磁芯直接插入到绕线架中，然后与E型磁芯或U型磁芯组装。为了解决由于垂直电感故意减小投射面积而导致的自动化和安全问题，本公开提供了一种特殊的绕线架设计，能达到所需要的垂直电感如高差模电感(>500μH)和高共模电感(>5mH)，同时仍保持高度自动化并符合安全功能。

2.磁性材料结构可以结合在两个绕组之间。

(1)可以在两个绕组之间施加磁性材料结构，例如，在E型磁芯的中间凸起结构处或者在绕线架的两个绕组之间之间隔处涂覆或设置磁性材料，以增加两个绕组之间的磁场，从而增加漏电感值。

(2)E型磁芯的中间凸起结构延伸到绕线架的两个绕组之间之间隔处。通过组装E型磁芯和绕线架组件可以实现榫接功能，从而大大提高其可靠性。

3.具有较低的EMI噪声的绕组设计。

(1)绕组的匝数采用多段设计(>2段)，即两个内部沟槽(70匝)的绕组的匝数小于两个外部沟槽(80匝)的匝数。

(2)绕组涉及不对称绕组布置。采用不对称布置使得绕组的层数得以增加，从而增加了绕组之间的杂散电容。杂散电容越大，容抗越低，这可能降低传输到其他电子设备的电路上的EMI噪声，并影响其他电子设备的运行，以获得更好的EMI抑制效果。

4.磁芯盒设计。

将底部磁芯隐藏在绕线架盒中解决了由于缩小PCB上占用区域而导致的垂直电感元件中的引脚到核心之间进行高电压测试(Hi-pot)时产生跳火的问题。在组装过程中更容易定位I型磁芯、U型磁芯或E型磁芯。I型磁芯和U型磁芯或E型磁芯可以准确地对接。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (22)

1.一种集成垂直电感器，包含：

一绕线架，包含一细长中空管、一上凸缘，设置在该细长中空管的一上端以及一基部结构，一体设置在该细长中空管的一下端，其中该细长中空管包含在该上凸缘和该基部结构之间的一第一绕线架部分和一第二绕线架部分，其中该第二线轴部件从该第一绕线架部分同轴地延伸，其中该细长中空管包含沿其纵向延伸的一中心开口，其中该基部结构包含一侧向开口，与该中心开口连通；

一第一线圈单元，包含第一绕线的绕组，缠绕在该第一绕线架部分上；

一第二线圈单元，包含第二绕线的绕组，缠绕在该第二绕线架部分上；

一中间凸缘，设置在该第一绕线架部分和该第二绕线架部分之间的该细长中空管上，其中该第一线圈单元通过该中间凸缘与该第二线圈单元分离；

一第一磁芯件，插入该细长中空管的该中心开口中；

一第二磁芯件，与该第一磁芯件并置，其中该中间凸缘包含一中间凹陷结构，用于榫接该第二磁芯件的一连接杆，其中该中间凸缘包含两个第一臂部，其中各该两个第一臂部包含一第一绕线引导槽，用于引导从该第一线圈单元延伸的该第一绕线；以及

多个电极，设置在该基部结构的一底表面上。

2.如权利要求1所述的集成垂直电感器，其中该细长中空管是一矩形立方体形状，具有一纵向长度。

3.如权利要求1所述的集成垂直电感器，其中该细长中空管具有一管轴线T，其垂直于该集成垂直电感器的一安装面。

4.如权利要求1所述的集成垂直电感器，其中该上凸缘包含一上端凹陷结构，用于榫接该第二磁芯件的一上端脚。

5.如权利要求4所述的集成垂直电感器，其中该第二磁芯件的该上端脚接合到该第一磁芯件的一向上突出部分，其从该中心开口突出。

6.如权利要求1所述的集成垂直电感器，其中该基部结构包含一下端凹陷结构，用于榫接该第二磁芯件的一下端脚。

7.如权利要求6所述的集成垂直电感器，其中该下端脚是设置在该侧向开口中，其中该第二磁芯件的整个底表面被该基部结构覆盖并且不被显露出来。

8.如权利要求7所述的集成垂直电感器，其中在该侧向开口中，该下端脚是通过一粘合剂层接合到该第一磁芯件的一下部。

9.如权利要求1所述的集成垂直电感器，其中该第一磁芯件和该第二磁芯件可以选自I-U型磁芯、I-E型磁芯、L-L型磁芯和L-F型磁芯构成的群组。

10.如权利要求6所述的集成垂直电感器，其中该基部结构包含在该下端凹陷结构附近的两个第二臂部。

11.如权利要求10所述的集成垂直电感器，其中各该两个第二臂部包含一第二绕线引导槽，用于引导从该第一线圈单元延伸到该基座结构的一底表面的该第一绕线的绕组的一第一端。

12.如权利要求11所述的集成垂直电感器，其中该多个电极包含：

一第一对端子引脚，设置在该基部结构的该底表面上，其中该第一对端子引脚设置在靠近该两个第二臂部的位置；以及

一第二对端子引脚，设置在该基部结构的该底表面上，其中该第二对端子引脚设置在与该两个第二臂部相对的该基部结构的一边缘附近。

13.如权利要求12所述的集成垂直电感器，其中该第一线圈单元的第一绕线是通过该第二绕线引导槽被引导到该基座结构的该底表面，并且通过焊接电性连接到该第一对端子引脚。

14.如权利要求12所述的集成垂直电感器，其中另包含：

一第三绕线引导槽，用于引导该第二线圈单元的该第二绕线到该基部结构的该底表面。

15.如权利要求14所述的集成垂直电感器，其中该该第二线圈单元的该第二绕线是通过该第三绕线引导槽被引导到该基部结构的该底表面并且电性连接到该第二对端子引脚。

16.如权利要求1所述的集成垂直电感器该第一线圈单元及该第二线圈单元为不对称绕组布置。

17.如权利要求16所述的集成垂直电感器，其中另包含：

一第一间隔凸缘，设于该第一线轴部上，用以将该第一绕线架部分分成一第一绕组段和一第二绕组段，其中该第一绕组段较靠近该上凸缘并且离该中间凸缘较远，而该第二绕组段较靠近该中间凸缘并且离该上凸缘较远；以及

一第二间隔凸缘，设于该第二绕线架部分上，用于将该第二绕线架部分分成一第三绕组段和一第四绕组段，其中该第三绕组段较靠近该中间凸缘并且离该基部结构较远，而该第四绕组段较靠近该基部结构并且离该中间凸缘较远。

18.如权利要求17所述的集成垂直电感器，其中该第一绕组段中的该第一绕线的匝数不同于该第二绕组段中的该第一绕线的匝数。

19.如权利要求18所述的集成垂直电感器，其中该第一绕组段中的该第一绕线的匝数大于该第二绕组段中的该第一绕线的匝数。

20.如权利要求18所述的集成垂直电感器，其中该第四绕组段中的该第二绕线的匝数不同于该第三绕组段中的该第二绕线的匝数。

21.如权利要求20所述的集成垂直电感器，其中该第四绕组段中的该第二绕线的匝数大于该第三绕组段中的该第二绕线的匝数。

22.如权利要求12所述的集成垂直电感器，其中该两个第一臂部，设置在该中间凹陷结构附近，并且在与该第二对端子引脚相对的一侧。